非圓纖維形狀因子的幾何無(wú)關(guān)的半自動(dòng)化測(cè)定

I. Noll， M. Kopaczka， O. Rippel， D. Merhof， G. Seide， T. Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(ITA)(德國(guó))

橫截面非圓形的纖維稱為異形纖維。與圓形橫截面纖維相比，異形纖維內(nèi)含空腔、具有較高的表面或凹槽，可使紡織品具有針對(duì)性的功能。紡絲擠出過(guò)程中，聚合物熔體會(huì)在模具出口處發(fā)生膨脹，這給異形纖維的生產(chǎn)帶來(lái)挑戰(zhàn)。由于擠出?？诤缶酆衔锶垠w發(fā)生膨脹，因此無(wú)法直接制備與成型毛細(xì)管橫截面幾何形狀相同的長(zhǎng)絲?？梢杂眯螤钜蜃颖碚髦频玫睦w維的橫截面。借助這一參數(shù)，可以定量地確定期望截面與實(shí)際截面的一致性。形狀因子參數(shù)既與纖維的應(yīng)用相關(guān)，也與工藝過(guò)程有關(guān)。此外，噴絲板的迭代開(kāi)發(fā)也需要記錄制得的纖維橫截面的質(zhì)量。

在工業(yè)上，纖維橫截面幾何形狀的期望值與實(shí)際形狀之間的一致性是由純粹的視覺(jué)控制決定的。為此，拍攝纖維橫截面的顯微鏡圖像，并將長(zhǎng)絲及其橫截面尺寸與生產(chǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較。非圓纖維形狀因子的目視檢測(cè)是一種主觀性強(qiáng)、耗時(shí)長(zhǎng)的質(zhì)量控制方法。由于缺乏定量數(shù)據(jù)，該方法不易理解，信息價(jià)值不大。然而，盡管目前形狀因子測(cè)定領(lǐng)域已取得了諸多進(jìn)展，但這種方法仍然符合當(dāng)今的科學(xué)實(shí)踐。

目前，纖維形狀因子的測(cè)定方法有很多(表1)。與工業(yè)生產(chǎn)中的測(cè)定不同，表1中的測(cè)定方法產(chǎn)生的是形狀因子的定量值。

表1 現(xiàn)有研究中確定形狀因子的方法

然而，現(xiàn)有的方法也存在許多缺陷，無(wú)法采用通用的且跨行業(yè)的方法來(lái)測(cè)定纖維的形狀因子，這些方法存在的缺陷列于表2中。

表2 異形纖維形狀因子測(cè)定中的缺陷

為了減少形狀因子測(cè)定中的缺陷，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所(ITA)和成像與計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究所(LFB)合作開(kāi)發(fā)出一種幾何無(wú)關(guān)的測(cè)定方法。該方法開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決的問(wèn)題如下所述。

1 幾何獨(dú)立性

為了生成幾何無(wú)關(guān)的形狀因子，必須考慮不同幾何體的所有特殊特征。基于此，必須定義可用于表征所有幾何圖形的因子。

為了消除擠出過(guò)程中聚合物的溶脹和表面效應(yīng)，獲得纖維橫截面的“目標(biāo)”幾何圖形，根據(jù)當(dāng)前最新技術(shù)，將異型毛細(xì)管過(guò)度拉伸。由于過(guò)度拉伸的幾何圖形不一定與期望的“目標(biāo)”幾何圖形相同，因此，在確定形狀因子時(shí)，應(yīng)確保幾何圖形的自由定義。

2 自動(dòng)化程度

為使測(cè)量值具有較高的重現(xiàn)性和可比性，并減少測(cè)定所需的時(shí)間，自動(dòng)化程度應(yīng)最大化?，F(xiàn)有的、免費(fèi)的應(yīng)用程序可用于實(shí)現(xiàn)此目的。

3 樣本數(shù)量

為了消除統(tǒng)計(jì)上的不確定性，并基于使用最先進(jìn)的方法確定形狀因子的前期研究工作，樣本數(shù)量定義為至少10根纖維。

4 主觀性的影響

在確定形狀因子時(shí)，應(yīng)盡量減少主觀影響。使用圖像處理程序，對(duì)樣本總體的評(píng)估是全自動(dòng)化的，因此在這一點(diǎn)上，可排除操作員的任何主觀影響。

5 取值范圍

為了對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行有意義的縮放，必須將下限和上限引入工藝技術(shù)背景中。為此，能量上最有利和最不利的狀態(tài)被用作下限或上限。擠出長(zhǎng)絲在能量上最有利的狀態(tài)(FITA=0)是圓形，在能量上最不利的狀態(tài)(FITA=1)為期望的“目標(biāo)”幾何圖形。這就產(chǎn)生了取值范圍下限和上限的圖解定義(圖1)。

圖1 確定形狀因子的下限/上限范圍

6 程序說(shuō)明

根據(jù)需求，開(kāi)發(fā)出一種半自動(dòng)化、幾何無(wú)關(guān)的異形纖維形狀因子測(cè)定程序。程序的輸出參數(shù)是纖維橫截面的二進(jìn)制圖像和“目標(biāo)”幾何形狀的圖形圖像(圖2)。纖維橫截面的二進(jìn)制圖像是采用合適的圖像處理程序[如免費(fèi)提供的GIMP軟件(GNU圖像處理程序)或美國(guó)Adobe系統(tǒng)的Photoshop軟件]處理纖維橫截面的顯微圖像生成的。顯微圖像上纖維橫截面填充以白色，背景為黑色。類似地，創(chuàng)建“目標(biāo)”幾何體的二進(jìn)制圖像。

圖2 纖維橫截面與“目標(biāo)”幾何圖形(以十字形纖維為例)二進(jìn)制圖像的創(chuàng)建

程序讀取纖維橫截面和“目標(biāo)”幾何圖形的二進(jìn)制圖像，并使用閾值自動(dòng)記錄和輸出幾何特征值。該程序存在于Python語(yǔ)言中，由非營(yíng)利的Python軟件基金會(huì)開(kāi)發(fā)，作為一個(gè)開(kāi)放的科學(xué)工具，可在通過(guò)作者請(qǐng)求后開(kāi)放使用。

從估計(jì)的纖維橫截面的特征值可推導(dǎo)出下述與幾何無(wú)關(guān)的特征因子。

6.1 外伸和錯(cuò)像素(外伸因子FO)

通過(guò)將“實(shí)際”幾何圖形與“目標(biāo)”幾何圖形的疊加，可得出關(guān)于目標(biāo)的“偏差”。記錄凸體的圓度、平行度和端部垂直度、凸體之間的夾角、間隙的可達(dá)性和長(zhǎng)徑比。外伸因子FO的計(jì)算式及取值范圍如式(1)所示。

(1)

6.2 外內(nèi)圓半徑比(圓因子FC)

外內(nèi)圓半徑之比可用來(lái)確定圖像投影的長(zhǎng)度或空腔大小，圓因子FC的計(jì)算式及取值范圍如式(2) 所示。

(2)

僅確定外伸和錯(cuò)像素不足以描述纖維的橫截面特征。這可以通過(guò)十字形纖維的示例來(lái)說(shuō)明，圖3解釋了兩種因子組合確定形狀因子的相關(guān)性。因此，將“實(shí)際”幾何圖形與“目標(biāo)”幾何圖形的一致性合并為一個(gè)形狀因子(FITA)表征，同時(shí)考慮外伸因子(FO)和圓因子(FC)這兩個(gè)因子。FITA的計(jì)算式如式(3) 所示。

FITA=0.5×FO+0.5×FC

(3)

圖3 十字形纖維可能的表現(xiàn)形式對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的程序能夠在幾乎可以忽略的時(shí)間內(nèi)從二進(jìn)制圖像中半自動(dòng)地查看和評(píng)估多根纖維的橫截面(2 min內(nèi)約100根纖維)。通過(guò)制定外伸因子和圓因子準(zhǔn)則，定義了一個(gè)幾何無(wú)關(guān)的、定量的形狀因子指標(biāo)。

在當(dāng)前的程序版本中，手動(dòng)創(chuàng)建二進(jìn)制圖像仍屬于一個(gè)主觀影響因素。因此，進(jìn)一步的研究目標(biāo)是在現(xiàn)有程序中實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制圖像的生成，以便在將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動(dòng)化的形狀因子評(píng)估。